Micro- and Nano-Mechanics of Active Biopolymer Networks

活性生物聚合物网络的微观和纳米力学

基本信息

  • 批准号:
    0800533
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2008-07-01 至 2011-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The research objective of this award is to develop new analytic and numerical approaches to examine the complex relationship of filament mechanics and network structure to the collective elastic properties of semiflexible networks. Semiflexible networks are cross-linked aggregates of stiff polymers. They are fundamentally different from the better understood polymeric materials that are the usual products of modern synthetic chemistry. Under applied stress semiflexible networks can store elastic energy in both the stretching and bending of the constituent filaments, while traditional polymer networks, which are composed of highly flexible polymer chains, store elastic energy only in filament stretching. The most common example of a semiflexible network is found in the cytoskeleton of living cells. There stiff protein filaments (F-actin) are cross-linked to form a stress-bearing framework that gives the cell its mechanical rigidity. Recent experiments have shown that small changes in network architecture and in the action of molecular motors can lead to significant changes the elasticity of these F-actin networks. This research will explore in detail how these changes in network structure and non-equilibrium steady-state (via the action of the molecular motors) leads to large mechanical changes of the network. Among the benefits of the successful completion of this work will be a deeper understanding of the design principles for building a new class of light-weight, mechanically tunable materials. The theory will also address new biomimetic approaches to materials design that use the action of endogenous motors to tune mechanical properties through the modification of the materials non-equilibrium steady-state. Such research will enable the creation of new bio-compatible materials whose mechanical properties can be precisely controlled. These materials may find applications in the promotion of wound healing. Finally, this research will assist the training of students/postdocs working at the interface of the physics, biology, and engineering.
该奖项的研究目标是开发新的分析和数值方法,以研究纤维力学和网络结构与半柔性网络集体弹性性质的复杂关系。半柔性网络是刚性聚合物的交联聚集体。它们与现代合成化学中常见的聚合物材料有着根本的不同。 在施加应力下,半柔性网络可以在组成细丝的拉伸和弯曲中存储弹性能量,而由高度柔性的聚合物链组成的传统聚合物网络仅在细丝拉伸中存储弹性能量。半柔性网络最常见的例子存在于活细胞的细胞骨架中。在那里,坚硬的蛋白质细丝(F-肌动蛋白)交联形成一个承受压力的框架,使细胞具有机械刚性。 最近的实验表明,网络结构和分子马达的作用的微小变化可以导致这些F-肌动蛋白网络的弹性的显着变化。 本研究将详细探讨网络结构和非平衡稳态的这些变化(通过分子马达的作用)如何导致网络的大的机械变化。成功完成这项工作的好处之一将是更深入地了解构建新型轻质,机械可调材料的设计原理。该理论还将解决材料设计的新仿生方法,该方法使用内源性马达的作用,通过修改材料的非平衡稳态来调节机械性能。这种研究将能够创造新的生物相容性材料,其机械性能可以精确控制。这些材料可用于促进伤口愈合。 最后,本研究将有助于培养学生/博士后在物理,生物和工程的接口工作。

项目成果

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